Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка перспективных методов и средств повышения автономности функционирования низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов, основанных на использовании высокоточных навигационных измерений многоканальными приемниками глобальных навигационных спутниковых систем

Номер контракта: 14.575.21.0081

Руководитель: Фатеев Юрий Леонидович

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Организация докладчика: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
глобальная навигационная спутниковая система, система ориентации и стабилизации, космический аппарат, навигационная система космического аппарата

Цель проекта:
Реализация проекта направлена на решение научно-технической проблемы повышения автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы. Целью реализуемого проекта является: - повышение автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы за счет использования в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА) многоканальных ГНСС-приемников, ориентированных на характеристики ГЛОНАСС нового поколения в части использования межспутниковых и беззапросных измерений применительно к низким орбитам (НО) и геостационарной орбите (ГСО). - снижение нагрузки на наземную инфраструктуру в процессе развертывания и поддержания компонент Национальной информационной спутниковой системы на НО и ГСО вследствие повышения автономности их функционирования. - повышение эффективности функционирования целевой аппаратуры этих компонент за счет более высокой, по сравнению с достигнутой, точности позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО вследствие использования ГНСС-приемников, ориентированных на ГЛОНАСС нового поколения.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ планируется получение следующих научно-технических результатов:
- методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников и позволяющие повысить автономность функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы;
- методы обработки межспутниковых и беззапросных измерений и расчета эфемеридно-временной информации КА на временном интервале автономного функционирования;
- методы ускоренного разрешения фазовой неоднозначности, воз-никающей в многоканальных ГНСС-приемниках при реализации интерферометрических способов измерения пространственной ориентации;
Методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников должны обеспечивать:
- определение координат КА при использовании сигналов КА ГЛОНАСС и GPS со среднеквадратической погрешностью не более: на НО – 15 м, на ГСО – 1 000 м;
- определения скорости со среднеквадратической погрешностью не более 0,1 м/с;
- определение углов пространственной ориентации использовании антенной системы с базовыми расстояниями между антенными модулями 0,7 м: с систематической погрешностью не более 10' и среднеквадратическим отклонением не более 20' на НО.
Методы расчета эфемеридно-временной информации КА на НО и ГСО должны обеспечивать заданную точность позиционирования и измерения ориентации КА на временном интервале автономного функционирования не менее 10 сут.
Методы ускоренного разрешения фазовой неоднозначности, возникающей в многоканальных ГНСС-приемниках при реализации интерферометрических способов измерения пространственной ориентации, должны обеспечивать разрешение фазовой неоднозначности одномоментными переборными или динамическими методами при длине базы более 0,7 м.
Для достижения указанных результатов планируется
а) разработка компьютерных моделей: - бортовой навигационной системы КА, основанной на использовании многоканальных ГНСС-приемников, обеспечивающей реализацию разработанных методов высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО и предназначеной для проверки их работоспособности и соответствия характеристик требованиям Технического задания; - навигационного поля в заданной точке орбиты КА на НО и ГСО и предназначенной для расчета видимого созвездия навигационных КА ГЛОНАСС и GPS для КА на НО и ГСО.
б) разработка и изготовление Программно-аппаратного комплекса моделирования процессов позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, осуществляющихся с использованием в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников, предназначенного для обеспечения проведения экспериментальных исследований разработанных методов и алгоритмов высокоточной навигации КА с целью увеличения продолжительности их автономного функционирования на основе созданных компьютерных моделей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Наиболее эффективными методами увеличения срока автономного функционирования низкоорбитальных и геостационарных КА мировыми производителями признаются методы, основанные на применении в составе бортовой аппаратуры многоканальных ГНСС-приемников. Методы определения координат и углов пространственной ориентации объектов при помощи ГНСС-приемников для наземных потребителей достаточно хорошо изучены, аппаратура, реализующая эти методы с различной степенью точности, производится серийно. Однако прямой перенос методов, разработанных для наземных потребителей, для применения в бортовой навигационной аппаратуре КА невозможен. На ГСО основная проблема применения ГНСС-приемников заключается в малом количестве одновременно наблюдаемых навигационных космических аппаратов (НКА) и низком энергетическом потенциале радиолинии "НКА – КА", обусловленном большим расстоянием между ними. На НО при применении ГНСС-приемников существуют проблемы другого рода – это требование существенного увеличения точности навигационных определений, в том числе в составе многоспутниковых группировок, при одновременном сохранении массогабаритных показателей на минимальном уровне.
Разработанные в ходе выполнения ПНИ методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников обеспечат определение координат КА при использовании сигналов НКА ГЛОНАСС и GPS, скорости и углов пространственной ориентации. Методы расчета эфемеридно-временной информации КА на НО и ГСО обеспечат заданную точность позиционирования и измерения ориентации КА на временном интервале автономного функционирования не менее 10 сут. Методы ускоренного разрешения фазовой неоднозначности, возникающей в многоканальных ГНСС-приемниках при реализации интерферометрических способов измерения пространственной ориентации, обеспечат разрешение фазовой неоднозначности одномоментными переборными или динамическими методами при длине базы более 0,7 м.
Планируемый уровень научно-технических разработок сопоставим с мировым уровнем разработок в области применения ГНСС-приемников для навигационного обеспечения КА на ГСО и НО и позволит достичь высокой степени автономности функционирования компонент Национальной информационной спутниковой системы. Планируется достижение показателей точности определения местоположения КА при помощи ГНСС-приемников в единицы метров, пространственной ориентации – десятые доли градуса, что сопоставимо с лучшими образцами бортовой навигационной аппаратуры зарубежных производителей.
Наиболее перспективным направлением развития высокоточной навигации КА на ГСО является применение мультисистемных ГНСС-приемников, осуществляющих прием всех навигационных сигналов, включая и сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений (БАМИ). Хотя эти сигналы в основном применяются для увеличения автономного периода существования орбитальных группировок ГЛОНАСС и GPS, их можно с успехом применять и для осуществления навигационных определений. Для увеличения энергетического потенциала следует применять антенные решетки. Кроме того, их применение позволит измерять углы пространственной ориентации интерферометрическими методами.
В качестве методов высокоточной навигации в целях повышения автономности функционирования КА на НО разрабатываются следующие направления:
- существенное увеличение точности навигационных определений при помощи ГНСС-приемников возможно путем применения относительных фазовых методов определения взаимных координат и пространственной ориентации, а также разработке мер по уменьшению погрешностей навигационных измерений;
- применение ГНСС-приемников для измерения пространственной ориентации требует разработки методов разрешения фазовой неоднозначности.
Для поддержания достаточного уровня точности позиционирования КА необходимо осуществлять закладку эфемеридно-временной информации (ЭВИ) не реже, чем раз в сутки, вследствие быстрого нарастания погрешности прогнозирования до километров при увеличении интервала. Повышение автономности функционирования орбитальной группировки возможно при использовании информации ГНСС ГЛОНАСС, а также межспутниковых и беззапросных измерений.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенных ПНИ востребованы АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», АО «Информационные
спутниковые системы им. акад. М.Ф. Решетнева», другими научными и производственными организациями и использованы для проведения ОКР, направленных на повышение автономности функционирования, эффективности функционирования целевой аппаратуры, снижение нагрузки на наземную инфраструктуру низкоорбитальной и геостационарной компонент Национальной информационной спутниковой системы.
Ожидаемый результат выполнения ПНИ окажет существенное влияние на повышение потребительских свойств и конкурентоспособности отечественных низкоорбитальных и геостационарных КА связи, дистанционного зондирования Земли, метеорологии и др.
Практическое внедрение результатов ПНИ производится на базе Индустриального партнера АО «Информационные
спутниковые системы им. акад. М.Ф. Решетнева» при проектировании перспективных платформ геостационарных спутников связи. Кроме того, в ходе выполнения проекта были получены охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности -
- Изобретение. Заявка № 2015105336 от 17.02.2015 г. «Способ угловой ориентации объекта», РФ;
- Изобретение. Заявка № 2015110269 от 23.03.2015 г. «Способ определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере», РФ;
- Программа ЭВМ. Свидетельство о государственной регистрации № 2015618057 от 29.07.2015 "Программа для автоматизированного расчета параметров навигационного поля космического аппарата в заданной точке геостационарной орбиты";
Полученные в ходе выполнения ПНИ результаты окажут существенное влияние на повышение уровня конкурентоспособности платформ спутников связи на ГСО, который в основном определяется рядом технических и эксплуатационных характеристик, часть из которых не зависит от размерности (класса) платформы и является общим показателем для всех платформ геостационарных спутников связи, по которому можно сравнивать эффективность всех платформ. К таким характеристикам, обеспечиваемым платформой, относятся точность удержания в заданной орбитальной позиции; точность наведения диаграмм направленности антенн на заданные зоны обслуживания; наличие режима автономной от средств наземного комплекса управления (НКУ) работы. Весьма важным направлением является повышение точности ориентации перспективных КА наблюдения и связи, на которых предусматривается применение многолучевых антенн, формирующих узкие лучи с (1–2° и менее) диаграммами направленности. Части компоненты КА на НО, преимущественно предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), и услуги на ее основе являются необходимым условием развития экономики, повышения безопасности жизни, а сама система становится ключевым элементом во многих областях инфраструктуры Российской Федерации. Основными тенденциями в развитии КА ДЗЗ является улучшение пространственного и временного разрешения, увеличение числа спектральных каналов. При существенном улучшении пространственного разрешения (менее 10 м) на передний план выступает такая важнейшая характеристика КА, как точность позиционирования и пространственной ориентации. Рассмотренные характеристики платформ перспективных КА могут быть реализованы при применении полученных в ходе выполнения ПНИ результатов.

Текущие результаты проекта:
Проведен обзор и анализ научно-технической, нормативной, методической литературы в области методов и средств высокоточной навигации при помощи ГНСС-приемников, в котором использовано 48 научно-информационных источников за 2009…2014 годы;
Обоснован выбор направления исследований, методов и средств высокоточной навигации в целях повышения автономности функционирования низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов на материалах обзора и анализа научно-технической литературы, а также результатов патентных исследований;
Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований, которая показала, что наиболее перспективным с точки зрения соотношения достоинств и недостатков является метод навигации, основанный на использовании сигналов БАМИ;
Проведена разработка различных вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи. Проработаны различные варианты методов и средств высокоточной навигации геостационарных и низкоорбитальных КА.
Разработана эскизная конструкторская документация программно-аппаратного комплекса моделирования процессов позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, осуществляющихся с использованием в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов многоканальных ГНСС-приемников.
Разработана концепция формирования перспективных методов и выбора средств высокоточной навигации космических аппаратов на НО и ГСО, предусматривающая в условиях недостаточного количества одновременно наблюдаемых навигационных сигналов использование многоканальных ГНСС-приемников, осуществляющих прием и обработку как навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS, так и сигналов бортовой аппаратуры межспутниковых измерений (БАМИ) обеих систем. Перспективные многоканальные ГНСС-приемники должны иметь возможность приема всех навигационных сигналов всех частотных диапазонов, включая и сигналы БАМИ. Кроме того, навигационный приемник должен быть оснащен антенной решеткой, применение которой позволяет существенно увеличить точность навигационных измерений за счет улучшения энергетических характеристик принимаемого сигнала, а также реализовать интерферометрические методы измерения углов пространственной ориентации.
Разработаны методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, основанные на использовании в составе бортовой аппаратуры КА многоканальных ГНСС-приемников. Разработанные методы высокоточной навигации позволят осуществлять определение координат КА при использовании сигналов КА ГЛОНАСС и GPS со среднеквадратической погрешностью не более: на НО – 10 м, на ГСО – 100 м; определения скорости со среднеквадратической погрешностью не более 0,1 м/с. Разработанный пеленгационный метод измерения пространственной ориентации позволяет осуществлять определение углов пространственной ориентации использовании антенной решетки с систематической погрешностью не более 6' и среднеквадратическим отклонением не более 10'.
Разработаны методы обработки межспутниковых и беззапросных измерений и расчета эфемеридно-временной информации КА на временном интервале автономного функционирования. Применение данных методов позволяет рассчитать вектор эфемерид КА и параметры привязки бортовой шкалы времени КА к единой шкале, в совокупности обеспечивающие заданную точность позиционирования и измерения ориентации КА на интервале автономного функционирования длительностью более 10 сут.
Разработаны методы ускоренного разрешения фазовой неоднозначности, возникающей в многоканальных ГНСС-приемниках при реализации интерферометрических способов измерения пространственной ориентации. В качестве основного принят метод разрешения фазовой неоднозначности в ГНСС-приемниках, оснащенных многоэлементными антенными решетками, основанный на пеленгационном методе, который позволяет использовать переборные методы даже при достаточно длинных базах по причине небольшого числа вариантов перебора.
Разработана рабочая конструкторская и эксплуатационная документация программно-аппаратного комплекса моделирования процессов позиционирования и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО, которая содержит данные для его разработки, изготовления, контроля и эксплуатации.
Разработаны компьютерные модели навигационного поля в заданной точке орбиты КА на НО и ГСО и бортовой навигационной системы КА, основанной на использовании многоканальных ГНСС-приемников, обеспечивающей реализацию разработанных методов высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации КА на НО и ГСО.
Разработаны Программа и методики экспериментальных исследований перспективных методов и средств высокоточной навигации для управления движением КА на НО и ГСО.
Опубликованы статьи в изданиях, индексируемых Scopus:
1. The phase ambiguity resolution by the exhaustion method in a single-base interferometer / Y. L. Fateev, D. D. Dmitriev, V. N. Tyapkin, I. N. Ishchuk and E. G. Kabulova // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 18 (2015). Vol. 10. pp. 8264–8270.
2. The use of GNSS technologies for high-precision navigation geostationary spacecraft / Yu.L. Fateev, D.D. Dmitriev, V.N. Tyapkin, N.S. Kremez, V.N. Ratushnyak // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). – Proceedings. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147250
3. The semi-lagrangian algorithm based on an integral transformation / Vladimir Shaydurov, Alexander Vyatkin // AIP Conf. Proc. 1648, 850041-1–850041-4; doi: 10.1063/1.4913096
Поданы заявки на получение патентов на изобретение:
1. Изобретение. Заявка № 2015105336 от 17.02.2015 г. «Способ угловой ориентации объекта», РФ ;
2. Изобретение. Заявка № 2015110269 от 23.03.2015 г. «Способ определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере», РФ.
Получен охранный документ на результат интеллектуальной деятельности:
1. Программа ЭВМ. Свидетельство о государственной регистрации № 2015618057 от 29.07.2015 «Программа для автоматизированного расчета параметров навигационного поля космического аппарата в заданной точке геостационарной орбиты».